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Dispersionsprisma Die Erfindung bezieht sich auf ein dreiseitiges
Dispersionsprisma für Strahlungsenergie. Prismen benutzt man für die Dispersion
von Strahlungsenergie verschiedener Art. Glasprismen werden z. B. verwendet, um
sichtbares Licht zu dispergieren, während man Dispersionsprismen aus anderem Material,
wie z. B. aus Natriumchlorid, Lithiumfluorid, Kalziumfluorid, Bromkalium und Caesiumdioid,
benutzt, um infrarote Strahlungsenergie zu dispergieren. Die Wahl des geeigneten
Materials für ein Dispersionsprisma hängt in hohem Maße von der Durchlässigkeit
des betreffenden Materials für eine bestimmte Wellenlänge der in dem jeweiligen
optischen System zu verwendenden Strahlungsenergie ab.
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Bei den Strahlungsempfängern, die in vielen optischen Instrumenten
und Systemen Verwendung finden, in denen mit infraroter Strahlung gearbeitet wird,
und die den Meßwert des Systems liefern, handelt es sich um sogenannte nicht selektive
Strahlungsempfänger. Das bedeutet aber, daß Strahlungsempfänger dieser Art einen
Meßwert liefern, der der gesamten Strahlungsenergie entspricht, die sie innerhalb
eines recht breiten Wellenspektrums aufnehmen. Es ist deshalb in einem solchen System
von äußerster Wichtigkeit, daß alle übrigen Glieder des optischen Systems hinsichtlich
der Wellenlänge der auf den Strahlungsempfänger auftreffenden Strahlungsenergie
stark selektiv wirken, so daß z. B. die Beziehung der Wellenlänge der in einem gegebenen
Augenblick durch das optische System geleiteten Strahlungsenergie zur Menge der
absorbierten Energie genau festgestellt werden kann. Eine wesentliche Fehlerquelle
entsteht hierbei durch Strahlungen unerwünschter Wellenlängen, die sich mit der
Strahlung der gesuchten Wellenlängen vermischen. Der Strahlungsempfänger ist nun
nicht in der Lage, die unerwünschte Strahlung von der erwünschten Strahlung abzusondern,
wodurch dann die unerwünschte Strahlung als Fehlerfaktor in das Meßergebnis eingeht,
sofern man nicht die letztere ausschaltet, bevor sie den Strahlungsempfänger erreicht.
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Bei optischen Systemen, in denen mit infraroter Strahlung gearbeitet
wird, spielt die unerwünschte Strahlung kürzerer Wellenlänge eine besondere Rolle,
dabei vielen Strahlungsquellen der Teil der infraroten Strahlung mit kürzeren Wellenlängen
wesentlich größer als der Teil der Strahlung mit verhältnismäßig längeren Wellenlängen
ist. Somit kann also, wenn die gewünschte Strahlung im Bereich der längeren Wellenlängen
liegt, ein verhältnismäßig kleiner Prozentsatz der unerwünschten Strahlung kürzerer
Wellenlänge durch seine anfänglich größere Intensität ein ganz wesentlicher Fehlerfaktor
sein. Umgekehrt wirken sich unerwünschte Strahlungen, die im Bereich größerer Wellenlängen
als die gewünschte Strahlung selbst liegen, durch ihre im allgemein schwächere Anfangsintensität
weniger störend auf das Meßergebnis aus.
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Erfindungsgemäß wird die unerwünschte Strahlung kürzerer Wellenlänge
dadurch unwirksam gemacht, daß die Basisfläche des Prismas mit Riefen versehen ist,
die im wesentlichen senkrecht zum Hauptstrahlengang im Prisma liegen. Die Strahlen
kürzerer Wellenlänge von einer bestimmten Wellenlänge ab werden dadurch von dem
Hauptstrahlengang der aus dem Prisma austretenden Strahlung ferngehalten.
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Es sind an sich (britische Patentschrift 416 509)
Prismen bekannt,
welche geriefte Flächen besitzen. Durch die Riefen soll das an den Randflächen von
optischen Elementen sowie auch an Innenwänden von Tuben und Fassungen reflektierte
Streulicht in eine andere Richtung wie das nutzbare Strahlenbündel gelenkt werden.
Die geriefte Basisfläche des erfindungsgemäßen Dispersionsprismas hat dagegen hier
den Zweck, Strahlung kürzerer Wellenlängen vom Strahlungsempfänger fernzuhalten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und im folgenden beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine räumliche Ansicht
eines erfindungsgemäßen Dispersionsprismas, Fig. 2 eine Schnittansicht des Prismas
nach Fig. 1, Fig. 3 eine Ansicht der gerieften Fläche des erfindungsgemäßen Prismas,
Fig.4 eine Schnittansicht des Prismas und seiner Wirkungsweise auf ein Strahlenbündel
und Fig. 5 eine im vergrößerten Maßstab wiedergegebene Ansicht eines Teils der gerieften
Fläche des in Fig. 4 dargestellten Prismas.
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Das in perspektivischer Ansicht in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße
Prisma 10 hat einen dreieckigen Querschnitt mit den beiden parallelen Seitenflächen
11 und 12 und drei rechteckige Flächen 13, 14 und 15. Während die beiden Seiten
13 und 15 eine glatte Oberfläche aufweisen, ist die Oberfläche der Seite 14 gerieft,
wobei die Riefen senkrecht zu der die Grundfläche des Prismas bildenden Seitenfläche
12 verlaufen. Wenn nun das Prisma 10 im Strahlengang eines Strahlenbündels liegt,
das durch die ebene Seite 13 in das Prisma eintritt und als dispergierte Strahlung
durch die andere ebene Seite 15 wieder austritt, dann verläuft der Hauptstrahlengang
des durch das Prisma 10 tretenden Strahlenbündels senkrecht zur Hauptachse der auf
der Seite 14 vorgesehenen Riefen.
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Die Riefen des Prismas brauchen jedoch nicht senkrecht zu dem Hauptstrahlengang
der durch das Prisma tretenden Strahlungsenergie zu liegen; auch ist es nicht erforderlich,
daß die Riefen der Fläche 14, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dargestellt,
von geradlinig und parallel zueinander verlaufenden Einschnitten gebildet werden.
Die Riefen können beispielsweise auch unter einem geeigneten Winkel geneigt angeordnet
sein, wobei sich die Wahl des Neigungswinkels nach dem Ergebnis richtet, das man
in einem gegebenen optischen System erzielen möchte. Weiter kann die Aufgabe der
Erfindung auch dadurch erfüllt werden, daß man kurvenförmige Riefen in der Form
konzentrischer Kreiseinschnitte vorsieht. Für viele Anwendungsgebiete werden sich
jedoch senkrecht zum Hauptstrahlengang im Prisma angeordnete geradlinige Riefen
als geeignet erweisen.
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Der Querschnitt eines erfindungsgemäßen Dispersionsprismas, wie es
in einem Infrarot-Spektralphotometer angewendet werden kann, ist in der Fig. 2 dargestellt.
Bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel weist das Prisma den Querschnitt eines
gleichschenkligen Dreiecks mit dem Winkel A = 70° und den beiden Basiswinkeln B
und C gleich 55° auf. Die größte Prismenfläche, die Seite 14, ist mit einer Vielzahl
winkelförmiger Einschnitte 16 versehen (Fig. 3). Um die von der vorliegenden Erfindung
beabsichtigte Wirkung zu erzielen, ist es nicht notwendig, daß das Dispersionsprisma
den Querschnitt eines gleichschenkligen Dreiecks aufweist, vielmehr wurde diese
Querschnittsform bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel nur
deshalb gewählt, weil viele Dispersionsprismen diese Gestalt aufweisen.
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Bei dem erfindungsgemäßen, in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Dispersionsprisma,
weist die breitere Seite 14 eine Länge von 77 mm auf, wobei die Höhe des Dreiecks
54 mm beträgt und die breite Seite 14 als Basis des Dreiecks angesehen wird. Die
auf der Fläche der breiten Seite 14 vorgesehenen Riefen sind in Abständen von 14
mm angeordnet, wobei zwischen den einzelnen Riefen 16 jeweils eine 5 mm breite,
nicht geriefte ebene Fläche verbleibt. Der die Riefen 16 bildende Einschnitt ist
um einen Winkel von 12° gegenüber der Ebene der breiten Seite 14 des Prismas geneigt,
und die durch jede Riefe gebildete angrenzende Fläche bildet mit der Ebene der Riefe
selbst einen Winkel von 90°. In dem besonderen, in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel weist das Dreieck des Prismenquerschnittes, gemessen von der
Basis des Dreiecks bis zu seinem Scheitelpunkt, eine Höhe von 55 mm auf.
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Die kleineren Seiten 13 und 15 des Prismas 10 sind optisch eben poliert,
während die Grundfläche 12 des Prismas, um für die Anordnung des Prismas in einem
optischen System eine Bezugsfläche vorzusehen, fein geschliffen wurde. Die obere
Seite 11 des Prismas weist im Gegensatz zu den optischen polierten Seiten 13, 15
und der feingeschliffenen Grundfläche 12 eine rauhe Oberfläche auf. Auch die Riefen
16 des Prismas wurden nicht poliert, vielmehr weist die gesamte geriefte Seite 14
eine verhältnismäßig rauhe Oberfläche, ähnlich der einer Mattscheibe, auf. Außerdem
wurde die gesamte geriefte Seite 14 mit einem schwarzen Überzug, z. B. schwarzer
Farbe, wie sie üblicherweise in photographischen Kameras verwendet wird, versehen,
um so die Absorptionsfähigkeit der gerieften Seite 14 zu erhöhen.
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Aus der schematischen Darstellung der Fig.4 erkennt man die Wirkungsweise
des erfindungsgemäßen Dispersionsprismas, durch die unerwünschte Strahlungen im
Hauptstrahlengang der gewünschten dispergierten Strahlung in hohem Maße vermindert
werden. Zweckmäßigerweise wird eine Blende in dem Strahlengang angeordnet, so daß
die auf das Dispersionsprisma auftreffende Strahlung innerhalb der genau bestimmten
Grenzen eines Strahlenbündels gehalten werden kann. Ein solches Strahlenbündel wird
in der Fig. 4 durch die voll ausgezogenen Linien A-A begrenzt, wobei die auf diesen
Linien gezeichneten Pfeile die Richtung des Strahlenbündels anzeigen. In dem in
der Fig. 4 dargestellten Beispiel fällt also die Strahlungsenergie von rechts nach
links auf das Prisma. Das Strahlenbündel A -A wird entsprechend der unterschiedlichen
Brechungsindizes der beiden durchlaufenden Medien, Luft und Material des Prismas,
z. B. Natriumchlorid, gebrochen. Strahlen größerer Wellenlänge werden weniger als
die Strahlen kürzerer Wellenlänge des gleichen Strahlenbündels gebrochen. In der
Fig. 4 sind die Strahlengänge der Strahlen mit kürzeren Wellenlängen durch die gestrichelten
Linien C-C dargestellt. Beide Strahlen B-B und C-C treffen nach dem Austritt aus
dem Prisma 10 auf eine Spiegeleinrichtung 20 und werden von dieser reflektiert,
um entsprechend der Pfeile noch einmal in umgekehrter Richtung das Prisma 10 zu
durchdringen. Diese Strahlen C-C mit im Verhältnis zu den übrigen Strahlen kürzeren
Wellenlängen stellen die in vielen mit infraroten Strahlen arbeitenden optischen
Systemen unerwünschte Strahlung dar.
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Die Strahlen kürzerer Wellenlänge, die sich in den oberen Bereichen
des in das Prisma 10 eintretenden Strahlenbündels befinden, werden unter einem größeren
Winkel als die übrigen Strahlen des gleichen Bündels gebrochen. Wie man am Verlauf
der gestrichelten Linien in der Fig. 4 erkennt, treten nun diese Strahlen kürzerer
Wellenlänge aus dem Prisma 10 aus und treffen auf eine Spiegeleinrichtung, z. B.
einen Littrow-Spiegel 20. Von dem Littrow-Spiegel 20 werden sie reflektiert, treten
wieder in das Prisma 10 ein, werden hier ein zweites Mal gebrochen und treten dann
bei C unter einem solchen Winkel aus dem Prisma aus,
daß sie aus
dem Strahlengang B'-B' der gewünschten dispergierten Strahlung des Strahlenbündels
herausgeleitet werden. Ein in der Zeichnung nicht dargestellter Strahlungsempfänger
kann nun an einem solchen Punkt des optischen Systems angeordnet werden, daß er
die gesamte Strahlung innerhalb des durch die Linien B'-B' begrenzten Strahlenbündels,
nicht aber die unerwünschte Strahlung kürzerer Wellenlänge empfängt. Die Strahlen
kürzerer Wellenlängen, die sich im unteren Teil des Strahlenbündels befinden, treten
ebenfalls in das Prisma ein und werden gleichfalls unter einem anderen Winkel als
die Strahlung erwünschter Wellenlänge gebrochen. Sie treten dann wieder aus dem
Prisma aus, um nach erfolgter Reflexion am Littrow-Spiegel erneut, in umgekehrter
Richtung, das Prisma zu durchdringen. Bei ihrem zweiten Durchgang durch das Prisma
treffen einige dieser Strahlen C kürzerer Wellenlänge auf die Fläche 14 des Prismas.
Die geriefte Fläche 14 des Prismas 10, die mit einer Schicht überzogen ist, hat
die Fähigkeit, einen großen Teil der auftreffenden Strahlungsenergie kürzerer Wellenlängen
zu absorbieren. Gleichzeitig werden die Strahlen unerwünschter kürzerer Wellenlängen,
die nicht an der gerieften Fläche 14 des Prismas absorbiert werden, durch die besondere
Ausbildung der Riefen 16 entsprechend der gestrichelten Linie C aus dem Bereich
B'-B' des Hauptstrahlenganges der erwünschten dispergierten Strahlungsenergie hinaus
abgelenkt.
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Jede der Riefen 16 ist aus zwei aneinandergrenzenden, zu der Ebene
der Seite 14 des Prismas geneigt liegenden Flächen 16 a und 16
b gebildet. Die größere dieser Schrägflächen 16a der Riefen 16 hat dabei
die Aufgabe, die in den unteren Bereich des Strahlenbündels enthaltenen unerwünschten
Strahlen kürzerer Wellenlängen aufzufangen, wobei dann ein Teil dieser unerwünschten
Strahlen kürzerer Wellenlänge absorbiert wird und der andere, nicht absorbierte
Teil aus dem Hauptstrahlengang der erwünschten Strahlungsenergie hinaus abgelenkt
wird. Auch die kleinere, an der vorerwähnten Fläche 16 a angrenzenden Schrägfläche
16 b erfüllt hierbei eine besondere Aufgabe, auf die im einzelnen noch einzugehen
ist. Die größere Schrägfläche 16 a der Riefen 16 ist so angeordnet, daß der Einfallswinkel
der auf diesem Teil 16a der Riefe auftreffenden Strahlen kürzerer Wellenlängen
innerhalb eines solchen Bereiches liegt, daß diese Strahlen unter einem bei
C dargestellten Winkel aus einer ebenen Seite des Prismas austreten, der
nur eine sehr geringe innere Reflexion zuläßt. Es wäre auch denkbar, nur eine einzige
Riefe 16 in der Fläche 14 des Prismas 10 vorzusehen, um im wesentlichen das gleiche
Ergebnis zu erzielen, wie es durch die in der Zeichnung dargestellten Vielzahl von
Riefen 16 möglich ist. Im Hinblick aber auf eine sparsamere Verwendung des Materials,
aus dem das Prisma hergestellt wird, ist die im Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellte Anordnung mehrerer Riefen 16 zu bevorzugen, weil diese nicht so tief
in die Fläche der entsprechenden Seite des Prismas eingeschnitten zu werden brauchen,
wie dies erforderlich wäre, wenn man nur eine Riefe vorsehen würde.
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Die unerwünschte Strahlungsenergie kürzerer Wellenlängen, die in den
Teilen des Strahlenbündels enthalten ist, die an die untersten gestrichelten Linien
C grenzen, werden von den verschiedenen in die untere Seite 14 des Prismas eingeschnittenen
Riefen 16 beeinflußt. Durch richtige Anordnung der verschiedenen Riefen L6 und durch
die geeignete Wahl ihres Winkels zur Ebene der Fläche der Seite 14 des Prismas
10
wird die unerwünschte Streustrahlung kürzerer Wellenlängen unter einen
solchen Winkel aus dem Prisma hinausgeleitet, der die innere Reflexion vermindert
und deshalb im wesentlichen verhindert wird, daß unerwünschte Strahlung durch wiederholte
Reflexion innerhalb des Prismas schließlich im Bereich des Strahlungsganges B'-B'
der erwünschten dispergierten Strahlungsenergie aus dem Prisma austreten kann.
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Obwohl es durchaus möglich ist, in üblicher Weise eine Blende vorzusehen,
durch die die Strahlungsenergie begrenzt werden kann, wird der Strahlungsempfänger,
auf den die dispergierte Strahlungsenergie gelenkt wird, oft auch von dem übrigen
optischen System in der Weise beeinflußt, daß tatsächlich das gesamte in der Fig.
4 dargestellte Prisma 10 einschließlich der gerieften Seite 14 im Empfangsbereich
des Strahlungsempfängern liegt. Der Strahlungsempfänger empfängt dann somit nicht
nur die aus dem Prisma austretende Strahlungsenergie, die innerhalb des Hauptstrahlenganges
B'-B' liegt, sondern auch die. welche von der gerieften Seite 14 des Prismas her
kommt. Deshalb ist die Anordnung so getroffen, daß die zweite bzw. kleinere Schrägfläche
16b der Riefen 16 so zu der größeren Schrägfläche 16 a und zum Einfallswinkel der
Streustrahlung angeordnet ist, daß die kleinere Schrägfläche 16b durch die größere
Schrägfläche 16a optisch verdunkelt wird.
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Fig. 5, die eine vergrößerte Teilansicht der Fig. 4 darstellt, läßt
diese Beziehung der Schrägflächen 16a und 16 b zueinander deutlich erkennen.
Wie in der Fig. 4 wird auch hier die unerwünschte Strahlung durch die gestrichelten
Linien C und C dargestellt, wobei - wie bereits erläutert - die auf eine
der größeren Schrägflächen 16 a der Riefen 16 auftreffende Streustrahlung C teilweise
absorbiert und der Rest C dieser Strahlung aus dem Hauptstrahlengang der
erwünschten Strahlungsenergie hinaus abgelenkt wird. Infolge des Einfallswinkels
der unerwünschten Strahlung kürzerer Wellenlängen kann nun die kleinere Schrägfläche
16 b der Riefen 16 nicht von dieser Strahlung C getroffen werden. Ebenso können
auch die Strahlen größerer Wellenlängen infolge der winkelmäßigen Anordnung der
kleineren Schrägflächen 16 b der Riefen 16 diese Schrägflächen nicht treffen.
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Die kleinere Schrägfläche 16b einer Riefe kann in verschiedenen Neigungswinkeln
angeordnet werden, um so das erfindungsgemäß gewünschte Ergebnis zu erzielen. Allerdings
ist die Wahl des Neigungswinkels der kleineren Schrägflächen 16 b der Riefen 16
auf einen bestimmten Bereich begrenzt, wobei, wenn die Grenze dieses Bereiches überschritten
wird, das oben beschriebene Ergebnis nicht mehr in vollem Maße erzielt werden kann.
Diese Grenze hängt dabei in erster Linie von dem Einfallswinkel der Strahlung kürzerer
Wellenlänge C sowie auch von der Tiefe und dem Winkel der größeren Schrägfläche
16 a der Riefe 16 ab.
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In dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist die kleinere Schrägfläche 16b einer jeden der Riefen 16 im rechten
Winkel zu der größeren Schrägfläche 16a angeordnet. Mit Riefen, die aus zwei in
einem rechten Winkel zueinander angeordneten Schrägflächen 16 a, 16 b gebildet werden,
wird das erfindungsgemäß gewünschte Ergebnis erzielt, wobei die in den Zeichnungen
dargestellten Riefen 16 mit Hilfe eines geeigneten, einen Winkel von 90° zwischen
den beiden
Schrägflächen 16 a und 16 b erzeugenden
Gerätes in das Prisma eingeschnitten werden.
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Die örtliche und winkelmäßige Anordnung der Riefen, wie sie für das
in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung gewählt wurden,
sind lediglich als ein für die Veranschaulichung des Erfindungsgedankens gewähltes
Beispiel anzusehen. Die vorzugsweise örtliche Lage sowie ihre winkelmäßige Anordnung
hängt in der Praxis von einer Anzahl verschiedener Faktoren ab, wobei die Wellenlängen
des auf das erfindungsgemäße Prisma gelenkten Strahlenbündels, das Material, aus
dem das Prisma besteht (und insbesondere der Brechungsindex dieses Materials), der
Unterschied der Brechungsindizes an der Grenze der Medien, durch die das Strahlenbündel
geleitet wird, und die besondere geometrische Gestalt des Prismas als solche Faktoren
zu nennen sind. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung bei einer großen Vielzahl
optischer Elemente prismatischer Form zur Anwendung kommen, deren Gestalt durchaus
von der hier dargestellten besonderen Dreieckform abweichen kann. Das hier dargestellte
dreieckige Prisma wurde lediglich deshalb gewählt, weil es das einfachste und am
leichtesten verständliche Ausführungsbeispiel der Erfindung verkörpert.